우리나라 공공하수처리시설의 방류수 수질현황 분석을 통한 겨울철 방류수수질기준의 적정성 평가
엄철용ᆞ주경훈ᆞ윤주환*ᆞ최익훈**ᆞ박재영**ᆞ이한샘*ᆞ고광백†
연세대학교 토목･환경공학과
*고려대학교 환경시스템공학과
**한국환경공단
Evaluation of Korean Water Quality Standards in Winter by Characteristics and Statistical Analyses of the Effluent Water Quality at the
Sewage Treatment Plants in Korea
Chul Yong Um⋅Kyoung Hoon Chu⋅Zuwhan Yun*⋅Ik Hoon Choi**⋅ Jae Young Park**⋅Han Saem Lee*⋅Kwang Baik Ko†
Department of Civil & Environmental Engineering, Yongsei University
*Department of Environmental Engineering, Korea University
**Korea Environment Corporation
(Received 9 May 2011, Revised 16 June 2011, Accepted 30 June 2011)
Abstract
In this study, from 2004 to 2008 influents and discharging effluents from 241 municipal public sewage treatment plants were surveyed. Statistics including average, Coefficient of Variation (CV) and Coefficient of Reliability (COR) for each season, time series analysis for removal efficiency and water quality of effluents, and a comparison of the effluent standards in Korea and other countries were presented. The average concentrations of TN and TP in influents. during winter season were 32.6 and 3.78 mg/L and during other season were 30.8 and 3.61 mg/L in 2008, respectively. The average TN concentration on the basis of the maximum monthly concentrations in the effluents during winter season ranged from 14.2~17.4 mg/L and during other season ranged from 12.2~14.8 mg/L. The TP concentration in the effluents depending on the each season was no big difference. TN removal efficiency decreased from Jan. to Feb. and TP removal efficiency decreased in Jan., Jun and July.
Maximum COR during winter season were 0.61 but the COR for TN and TP during other season ranged from 0.96~1.48 and 1.09~1.81, respectively, due to big difference in the standard for TN and TP in effluents depending on the season. TN and TP standards for effluent of sewage treatment during winter season in Korea was much higher than those in other countries.
Therefore the lower effluent standards during winter season is essential for the water quality improvement.
keywords : Effluent quality standards, Sewage treatment plants, Total nitrogen (TN), Total phosphorus (TP), Winter season
1. 서 론1)
“4대강 물관리 종합대책(1996 ~ 2005)”에 이어 “물환경관 리기본계획(2006 ~ 2015)”의 추진까지 정책이 이어지면서, 수계별 수질오염총량관리제가 단계적인 시행을 넘어 4대강 이외 수계까지 확대·시행되고 있으며, 이외에도 환경영향평 가 협의 기준 등 다양한 물환경 이슈 및 환경정책과 시책 의 도입으로 우리나라의 물환경여건이 크게 변화해 왔다 (환경부, 2008). 이러한 환경정책과 더불어 최근 환경부의 하수도법 시행규칙(2010년 7월 1일부터 시행)을 보면 하천 수질개선을 위해 2012년부터 공공하수처리시설의 방류수
†To whom correspondence should be addressed.
수질기준 강화를 명기하고 있다. 또한 공공하수처리시설 방 류수의 수용하천 및 호소 등 수역의 관리를 위해 많은 계 획 및 대책을 수립하여 목표를 제시하고 있으며 하천 수질, 생태환경의 개선 및 인근지의 공업용수, 소방용수공급 등에 공공하수처리시설의 방류수를 재활용하는 방안을 추진하고 있다(환경부, 2006). 이러한 계획 및 대책의 목표로 생태적 건강성을 담보로 하는 하천이 그 주를 이루고 있으며 수생 태계 건강성 복원 사업 등 여러 가지 복원 사업까지 뒤따 르고 있다. 특히 2012년부터 적용되는 공공하수처리시설의 방류수 수질기준 중 총인의 기준을 처리규모 및 지역에 따 라 시설용량 500 m3/일 이상에 대해서 0.2 ~ 2 mg/L의 강 화된 규정까지 적용하여 수계로 유입되는 공공하수처리시 설의 오염부하량을 줄이려는 노력은 지속적으로 이루어지 고 있다.
Table 1. The numbers of public sewage treatment plants investigated in this study (unit: ea) Treatment
process Capacity (m3/day) Year
Total
2008 2007 2006 2005 2004
Suspended growth1) processes
≥ 50,000 33 26 14 13 7 86
11,000 ~ 50,000 38 27 20 20 18 105
3,500 ~ 11,000 56 41 14 31 25 142
500 ~ 3,500 77 52 29 17 21 175
Attached growth2) processes
≥ 50,000 10 8 2 2 2 22
11,000 ~ 50,000 8 6 6 1 3 21
3,500 ~ 11,000 8 3 2 2 1 15
500 ~ 3,500 11 2 1 1 2 15
Total 241 165 88 87 79 566
1) Suspended growth processes 4stage BNR, HBR-II, BNR-c, DNR, P/L-II, PID, Oxidation ditch for endogenous respiration, BAT, Modified SBR, HANT, Azenit P, MLE, ACS, TEC-BNR
2) Attached growth processes NPR, BSTS-Ⅱ, CNR, BCF, Oxidation ditch with CNR, SBF, DeNiPho, SOD, BIOFOR, Bio-SAC, MS-BNR, Biostyr, SWPP, SMMIAR, Contact oxidation covered with top-soil, S-BC
2008년도 전국 공공하수처리시설 유입수 중 연평균 총질 소 농도는 33.8 mg/L, 총인 농도는 3.7 mg/L(환경부, 2009a) 로 나타나고 있는 실정에서 현행 방류수 수질기준에서는 겨울철 발생하는 기온저하 등에 의한 생물학적 처리의 효 율 저하를 감안하여 총질소와 총인에 대한 완화기준(‘겨울 철(12월 1일 ~ 3월 31일까지)의 총질소와 총인의 방류수 수 질기준: 60 mg/L 이하, 8 mg/L 이하)을 두어 하천 및 폐쇄 성 수역에서의 부영양화 발생의 억제에는 여전히 어려움이 있는 실정이다.
폐쇄성 수역의 부영양화는 질소(N), 인(P)등의 무기영양 염류의 증가에 의해서 발생하는 것으로 판단하고 있다(국 립수산과학원, 2005; 조경제와 신재기, 1996; 허우명 등, 1995, 1999; Wetzel, 2001). 현재 운영 중인 대부분의 공공 하수처리시설이 방류수질은 법적기준 이하로 방류되고 있 으나, 방류수역에 비하여 높은 영양염류 함량으로 인하여 수용하천 및 호소에 영양상태를 높이는 것으로 지적되고 있으며, 추가적인 처리시설 도입에 대한 필요성이 제기되고 있다(곽중훈 등, 1997; 김갑수 등, 2001; 김영철 등, 2005;
서정관 등, 2003; 오현택 등, 2005).
이러한 국가정책 방향 및 계획과 더불어 유사한 처리공 정 특성을 갖고 있으나 다른 방류수 수질기준을 적용받는 하·폐수처리시설간의 형평성 문제 등을 해결하기 위하여 공 공하수처리시설의 방류수의 수질 특성과 현황을 고찰한 후 현행 공공하수처리시설의 겨울철에 적용되는 총질소와 총 인의 방류수 수질기준의 합리성 여부를 평가하고자 한다.
2. 연구방법
공공하수처리시설 방류수 중 영양염류의 농도와 특성을 조사하고자, 전국에서 최근 5년간(2004 ~ 2008년) 가동 중 인 공공하수처리시설의 유입수와 방류수를 대상으로 총질 소(TN), 총인(TP)의 월별 일 측정자료의 최대, 최소 및 평 균농도가 수록되어 있는 수질분석자료를 직접 활용하였다.
일반적으로 공공하수처리시설의 2차 처리수중 SS, BOD5, COD 등의 자료는 정규확률분포를 갖으며(Crities and
Tchobanoglous, 1997), 일부의 하수처리시설의 제외하면 TN, TP의 경우에도 정규확률분포를 보이는 것으로 알려져 있다(김영철 등, 2005). 그러나 확률개념이 적용되지 않은 국내 방류수 수질기준의 특성상 확률분포에 의한 방류수수 질에 의존하여 방류수 수질기준을 평가할 경우, 현실을 왜 곡할 수 있는 가능성이 큰 것으로 판단된다. 이러한 점을 고려하여 일 측정자료 중 월 최대값을 이용하여 방류수 중 영양염류의 농도 변화 및 특성을 검토하였으며, 유입수질 및 제거율의 경우 월평균 농도를 사용하여 검토하였다. 또 한 여름철의 강우로 인한 희석효과에 대해서도 검토함으로 써 강우량이 방류수질에 미치는 영향도 평가하였다.
연구대상인 공공하수처리시설은 시설용량 일일 500 m3 이상으로 비교적 처리규모가 대형인 처리장이며, 모두 생물 학적 영양염류 제거공법(Biological Nutrient Removal: BNR) 으로 이루어져 있다. 아래 Table 1에는 연도별 연구대상 공 공하수처리시설의 개소수를 처리공법 및 시설용량별로 요 약·정리하였다. 본 연구대상 공공하수처리시설은 2008년도 기준으로 241개소로서, 가장 최근 자료인 2008년 자료를 기 준으로 1년 중 증설 및 자료의 누락 등과 같은 특이한 자료 변화가 없는 온전한 자료를 제시한 공공하수처리시설의 자 료만을 대상으로 하였다. 이는 2009년 현재 시설용량 500 m3/일 이상의 처리장을 대상으로 처리장 개소수 기준으로 전체 처리시설의 약 58%에 해당된다. 단, 부착성장공정의 경우 부착성장미생물을 고정상담체에 부착성장시킴과 동시 에 부유성장 미생물을 공존시켜 운영하는 Hybrid-Type이 일 부 존재하지만 자료수가 미비하여 따로 구분하지 않았다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 유입수의 수질특성
Table 2에는 분석대상 공공하수처리시설의 유입수중 총질 소와 총인 농도를 겨울철과 비겨울철 구분에 따라 요약하여 나타내었다. 2004년부터 2008년까지 연평균 유입수중 총질 소의 농도는 각각 26.2, 25.7, 29.0, 28.9 및 31.4 mg/L로 나 타났으며, 총인의 농도는 각각 3.1, 2.9, 3.5, 3.3 및 3.7 mg/L
Table 2. The range of TN and TP concentrations in the influents at the public sewage treatment plants
TN (mg/L) TP (mg/L)
Avg. Max. Min. Avg. Max. Min.
2004 Apr. ~ Nov. 25.4 70.2 0.33 3.07 11.0 0.16
Dec. ~ Mar. 27.8 73.1 0.00 3.18 11.8 0.09
2005 Apr. ~ Nov. 25.3 62.7 0.00 2.90 8.7 0.00
Dec. ~ Mar. 26.7 74.5 1.62 3.04 10.1 0.02
2006 Apr. ~ Nov. 28.3 72.5 0.06 3.40 10.6 0.15
Dec. ~ Mar. 30.5 78.1 1.75 3.56 10.6 0.31
2007 Apr. ~ Nov. 27.9 70.0 0.16 3.15 9.7 0.15
Dec. ~ Mar. 30.7 76.2 0.93 3.52 10.3 0.15
2008 Apr. ~ Nov. 30.8 72.7 1.15 3.61 10.3 0.06
Dec. ~ Mar. 32.6 80.0 1.15 3.78 10.6 0.10
Table 3. A summary of the statistical analyses for the effluent water quality for the suspended growth processes (mg/L) Capacity (m3/day)
Total ≥ 50,000 11,000 ~ 50,000 3,500 ~ 11,000 500 ~ 3,500 Total Winter Otherseasons Total Winter Other
seasons Total Winter Other
seasons Total Winter Other
seasons Total Winter Other seasons
TN
Avg. 13.0 14.2 12.2 12.7 13.9 12.0 14.4 16.1 13.5 12.8 13.9 12.3 12.2 13.3 11.4 Mean 12.1 13.4 11.4 11.7 13.5 11.0 13.2 14.7 12.4 12.3 13.2 11.7 11.6 12.5 10.7
Std. 5.9 6.5 5.5 4.7 4.8 4.6 6.8 7.4 6.3 5.6 6.2 5.2 6.1 6.6 5.4 Min. 0.2 0.9 0.2 3.1 5.8 3.1 2.5 3.8 2.5 1.2 1.2 1.8 0.2 0.9 0.2 Max. 30.0 30.0 23.9 21.8 21.8 19.6 28.4 28.4 23.9 30.0 30.0 20.8 24.2 24.2 20.3
CV 0.46 0.46 0.45 0.37 0.34 0.38 0.47 0.46 0.46 0.44 0.45 0.42 0.50 0.50 0.48
TP
Avg. 1.40 1.42 1.38 1.37 1.42 1.35 1.52 1.56 1.49 1.38 1.35 1.40 1.34 1.38 1.30 Mean 1.32 1.32 1.32 1.34 1.36 1.34 1.38 1.35 1.39 1.30 1.28 1.31 1.30 1.32 1.28 Std. 0.79 0.83 0.77 0.55 0.61 0.51 1.03 1.18 0.94 0.83 0.70 0.90 0.69 0.76 0.63 Min. 0.02 0.08 0.02 0.14 0.32 0.14 0.09 0.09 0.12 0.13 0.13 0.15 0.02 0.08 0.02 Max. 2.88 2.49 2.88 2.42 2.42 2.18 4.34 4.34 3.04 2.49 2.49 2.88 2.63 2.63 2.34
CV 0.57 0.59 0.56 0.40 0.43 0.38 0.68 0.75 0.63 0.60 0.52 0.64 0.52 0.55 0.48 로 나타났다. 2004년부터 2008년까지 총질소·총인의 농도는
점차 증가하는 경향을 나타내었으며, 이는 하수관거정비 사 업 등으로 인해 분류식하수관거 비율의 증가에 기인한 것으 로 판단된다. 환경부의 통계에서 나타난 2008년 공공하수처 리시설의 연평균 유입수중 총질소와 총인의 농도가 각각 33.8, 3.7 mg/L로 나타난 것과 큰 차이를 보이지 않고 있으 며, 총질소의 증가경향 또한 동일하게 관찰되었다.
겨울철(12월 1일 ~ 3월 31일)과 비겨울철 평균 유입수질 의 차이는 총질소의 경우 최대 2.8 mg/L, 총인의 경우 최 대 0.4 mg/L로 나타났으며 겨울철의 유입수질이 높은 경향 이 있다. 그러나 겨울철과 비겨울철의 기간 구분에 따른 평균 유입수질의 변화폭은 크지 않은 것으로 판단된다.
3.2. 방류수의 수질특성
국내 방류수 수질의 측정기준이 통계학적인 확률발생개 념을 내포하지 않고 있어 방류수 수질기준의 초과여부판단 에 있기 때문에 과소평가되는 것을 배제하기 위하여, 본 연구에서는 일 측정 수질자료 중 월 최대값을 사용하여 통 계분석을 실시하였다.
3.2.1. 방류수질의 통계학적 분석
Table 3 ~ 4에는 분석대상 공공하수처리시설의 방류수질
자료의 통계학적 분석을 위해 일 측정자료 중 월 최대값을 이용하여 평균값, 최소값, 최대값, 표준편차, 변동계수 (Coefficient of Variation: CV) 등을 요약하여 나타내었다.
부유성장공정 중 시설용량에 따른 방류수중 총질소의 평 균 농도는 겨울철의 경우 13.3 ~ 16.1 mg/L로 나타났으며, 비겨울철의 경우 11.4 ~ 13.5 mg/L을 나타내었다. 기간에 따라서 평균 농도의 차이는 최대 2.6 mg/L로 나타나 겨울 철구분에 따른 방류수질의 변화는 크지 않은 것으로 판단 된다. 변동폭의 경우 시설용량에 따라 겨울철의 경우 0.34
~ 0.50, 비겨울철의 경우 0.38 ~ 0.48을 나타냈다. 또한 총인 의 평균 농도는 겨울철의 경우 1.35 ~ 1.42 mg/L, 비겨울철 의 경우 1.30 ~ 1.49 mg/L로 나타났으며, 기간에 따른 평균 농도 차이는 최대 0.08 mg/L, 변동폭은 겨울철 0.43 ~ 0.75, 비겨울철 0.38 ~ 0.64로 나타났다. 전체적으로 겨울철과 비 겨울철의 변동폭은 총질소와 총인 모두에서 거의 유사한 값을 나타내고 있으며, 처리규모에 따라서는 다소 차이가 있는 것으로 나타났다.
방류수중 총질소 농도에서는 겨울철의 경우 유입 수온의 저하에 따른 질산화율의 저하를 고려할 때 생물학적 처리 의 효율저하 등으로 인한 변동폭 증가를 예상하였으나, 실 제로는 거의 같은 수준을 나타내었다. 시설용량의 구분을 두지 않은 경우에서는 그 차이는 더욱 줄어들어 겨울철이
Table 4. A summary of the statistical analyses for the effluent water quality for the attached growth processes (mg/L) Capacity (m3/day)
Total ≥ 50,000 11,000 ~ 50,000 3,500 ~ 11,000 500 ~ 3,500 Total Winter Otherseasons Total Winter Other
seasons Total Winter Other
seasons Total Winter Other
seasons Total Winter Other seasons
TN
Avg. 15.7 17.4 14.8 17.5 20.9 15.8 15.9 17.5 15.2 14.4 15.1 14.0 13.9 14.6 13.5 Mean 14.9 17.2 14.2 17.5 19.6 14.5 16.7 17.5 16.3 13.9 15.0 13.6 12.6 12.9 12.6
Std. 6.7 7.7 5.9 7.8 8.5 6.8 5.5 5.3 5.4 4.6 5.6 3.9 7.6 9.3 6.5 Min. 1.1 2.0 1.1 2.9 4.5 2.9 1.1 5.8 1.1 5.5 5.5 5.5 2.0 2.0 2.0 Max. 36.8 36.8 29.6 35.2 35.2 29.6 27.6 27.6 23.7 25.0 25.0 19.3 36.8 36.8 28.5
CV 0.43 0.44 0.40 0.45 0.41 0.43 0.34 0.30 0.36 0.32 0.37 0.28 0.54 0.64 0.48
TP
Avg. 1.50 1.53 1.48 1.74 1.77 1.72 1.55 1.55 1.55 1.41 1.56 1.33 1.18 1.16 1.19 Mean 1.49 1.45 1.50 1.60 1.58 1.61 1.67 1.72 1.65 1.32 1.32 1.32 1.03 1.03 1.03
Std. 0.89 1.02 0.82 1.17 1.22 1.15 0.54 0.61 0.51 0.86 1.28 0.52 0.75 0.77 0.75 Min. 0.04 0.05 0.04 0.18 0.18 0.20 0.10 0.10 0.34 0.27 0.45 0.27 0.04 0.05 0.04 Max. 4.91 4.91 3.65 4.91 4.91 3.65 2.31 2.31 2.24 3.09 3.09 1.93 2.83 2.66 2.83
CV 0.60 0.66 0.56 0.68 0.69 0.67 0.35 0.39 0.33 0.61 0.82 0.39 0.64 0.66 0.63
비겨울철에 비해 0.01 큰 변동폭을 보이는데 그쳤다.
시설용량 구분에 따라 절기의 구분없이 총질소의 방류수 질은 대체로 시설용량이 커질수록 방류수질이 나빠지는 경 향을 나타냈다. 그러나 시설용량 일일 50,000 m3 이상의 경우 방류수질이 비교적 안정적으로 나타났으며, 변동폭 또 한 줄어드는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 총인의 농도 에서도 같은 경향이 관찰되었으며, 그 원인은 아직 불분명 하지만 시설용량 일일 100,000 m3 이상 및 사전환경성 검 토대상이 포함된 공공하수처리시설은 상대적으로 방류수 수질기준이 낮고, 운영인력 및 유지관리비용의 투입이 높으 며, 장기 운영에 따른 운영 know-how를 가지고 있기 때문 에 이러한 시설들이 포함된 시설용량 일일 50,000 m3 이상 의 공공하수처리시설의 방류수질이 더 좋게 나타난 것으로 판단된다.
부착성장공정 중 시설용량에 따른 방류수중 총질소의 평 균 농도는 겨울철의 경우 14.6 ~ 20.9 mg/L로 나타났으며, 비겨울철의 경우 13.5 ~ 15.8 mg/L을 나타냈다. 기간에 따 라서 평균 농도의 차이는 최대 5.15 mg/L로 나타났으며, 부유성장공정보다는 큰 차이를 보였다. 그러나 시설용량의 구분없는 상태에서의 겨울철과 비겨울철의 평균 총질소 농 도 차이는 2.6 mg/L로 부유성장공정에서와 큰 차이를 보이 지 않았다. 변동폭의 경우 시설용량에 따라 겨울철의 경우 0.30 ~ 0.64, 비겨울철의 경우 0.28 ~ 0.48을 나타내었다. 또 한 총인의 평균 농도는 겨울철의 경우 1.16 ~ 1.77 mg/L, 비겨울철의 경우 1.19 ~ 1.72 mg/L로 나타났으며, 기간에 따른 평균 농도 차이는 최대 0.23 mg/L, 변동폭은 겨울철 0.39 ~ 0.82, 비겨울철 0.33 ~ 0.67로 나타났다. 전체적으로 겨울철의 변동폭이 총질소와 총인 모두에서 비겨울철의 변 동폭에 비해 다소 높은 값을 갖고 있으나, 처리규모에 따 라서는 차이가 있는 것으로 나타났다.
시설용량 구분에 따라 계절의 구분없이 총질소의 방류수 질은 시설용량이 커질수록 방류수질이 나빠지는 경향을 나 타냈으며, 부유성장공정에서와는 달리 시설용량 일일 50,000 m3 이상의 경우에서 특별한 방류수질과 변동폭에 대한 안 정적인 형태는 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 우리나라
대부분의 대형 공공하수처리시설의 경우 부유성장공정의 형태를 하고 있으며, 부착성장공정에서는 MLSS농도 및 SRT 조정 등의 운영인자를 조정하는 방법으로 유입수온의 급변 및 충격부하 등에 대한 대처가 쉽지 않기 때문인 것 으로 판단된다.
모든 처리공정에서 방류수중 총질소, 총인의 농도가 대부 분 겨울철에 상승하는 경향이 나타났으나, 겨울철 방류수 수질기준이 비겨울철에 적용되는 기준보다 3 ~ 4배 높게 설 정된 것은 다소 무리가 있는 것으로 판단할 수 있다.
방류수수질은 부유성장공정에서 부착성장공정에서보다 총 질소는 약 20% 정도 총인은 약 10% 정도 낮은 것으로 나 타났으며, 표준편차에서도 부유성장공정이 다소 낮은 범위 로 나타났다. 그러나 겨울철과 비겨울철의 방류수질의 차이 는 모든 처리공정에서 큰 차이를 보이지는 않았으며, 변동 폭에서도 공정 구분에 따른 큰 차이는 나타나지 않았다.
3.2.2. 월별 방류수질의 변화
Fig. 1에는 일 측정 자료의 월 최대값을 이용하여 월별 방류수 중 총질소와 총인의 평균 농도를 나타내었다. 겨울 철의 기간이 12월 ~ 3월까지 임을 감안하여 겨울철을 앞으 로, 비겨울철을 뒤로 표기하였다.
Fig. 1에서와 같이 부유성장 및 부착성장공정의 방류수중 총질소의 농도는 S자 형태로 겨울철에 방류수질이 비교적 나빠지는 경향이 잘 나타나고 있다. 이미 겨울철과 비겨울 철의 방류수중 총질소의 농도가 차이가 있음을 나타낸바 있 지만, 시설용량에 관계없이 유입수온 및 유입유량변화 등의 계절적 요인에 의해 방류수중 총질소가 영향을 받고 있으 나, 그 영향은 제한적인 것으로 판단된다. 특히 방류수 수질 기준 상의 겨울철로 구분된 12월 ~ 3월의 기간보다 약 1개 월 긴 12월 ~ 4월 기간 동안 방류수 중 총질소 농도가 증가 하는 경향이 관찰되었으며 이는 부착성장공정과 부유성장공 정 모두에서 동일하게 관찰되었다. 총인의 경우 겨울철에 유입수온저하로 인해 농도가 높게 나타났으며, 겨울철이 지 남에 따라 완만한 농도하강이 관찰되었다. 그러나 겨울철 이외 기간의 대부분은 안정적인 농도 추이를 나타냈다.
(a) Suspended growth processes
(b) Attached growth processes
Fig. 1. Monthly average TN and TP concentrations on the basis of the maximum monthly concentrations in the effluents at the sewage treatment plants.
2008년도 우리나라의 79개 지점에서 측정된 강우량 자료 를 분석한 결과, 5 ~ 8월에 전국 평균 100 mm이상의 강우 량을 보인 것으로 나타났으며, 이외 기간의 평균강우량은 37.25 mm로 나타났다(기상청, 2009). 5 ~ 8월 중 희석효과 에 의한 방류수질이 좋아지는 현상을 기대할 수 있으며, 반대로 장마로 인한 최대강수량을 기록한 7월 및 장마 기 간인 6 ~ 7월의 경우 유입유량의 증가로 인한 생물반응조의 충격부하 발생가능성(안익성 등, 2003)에도 불구하고 일부 농도 증가를 보이기는 하지만 특별한 방류수 중 영양염류 의 농도 변화 경향은 관찰되지는 않았다.
분석대상자료가 월 평균 자료가 아닌 일 측정 자료의 월 최대값을 기준으로 월별 평균화하여 사용한 점을 감안하면 처리공정, 시설용량 및 절기에 상관없이 대체로 방류수 수 질기준(비겨울철기준: 총질소 20 mg/L 이하, 총인 2 mg/L 이하)을 만족하고 있는 것으로 나타났다.
3.2.3. 월별 제거율 변화
Fig. 2는 월 평균 유입수질과 월평균 방류수질을 이용하 여 시설용량에 따라 월별 총질소와 총인의 평균 제거율을 나타내었다. 여기서 제거율은 방류유량이 기록되지 않는 자
료의 특성상 유입농도와 방류농도를 기준으로 산출되었다.
총질소 제거율의 경우 앞서 제시된 월별 방류수질의 변화 에서 보였던 S자 형태와 유사한 변화가 동일하게 관찰되었 다. 겨울철 제거율의 감소는 계절적요인 중에서도 유입수온 변화에 의한 것으로 겨울철 온도저하로 인한 질산화 및 탈 질반응의 둔화 때문이다(Van Haandel et al., 1982). 부유성 장공정의 경우 겨울철 이후 제거율이 지속적인 상승을 보 이다가, 7월 이후 안정적인 효율을 나타내는 것으로 관찰 되었다. 부착성장 공정의 경우에는 일부 시설용량에서 7 ~ 8월 부근에 처리효율이 감소하는 것이 관찰되었으나, 방류 수질에는 큰 변화가 없는 것으로 관찰되어 불명수 유입 등 에 기인한 유입 수질 변화때문인 것으로 판단된다.
시설용량 3,500 ~ 11,000 m3/일인 공공하수처리시설의 경 우 모든 처리공법에서 비교적 낮은 처리효율이 관찰되었으 며 그 원인은 불분명하다. 그러나 앞서 다룬 월별 방류수 질의 변화추이에서는 특별한 점이 관찰되지 않았다. 특히 연평균 COD/TN 비가 부유성장공정의 경우는 2.28 ~ 2.42, 부착성장공정의 경우는 2.19 ~ 3.00의 범위를 이루고 있으 나, 시설용량 3,500 ~ 11,000 m3/일의 경우는 모든 처리공정 에서 2.28로 가장 낮은 범위에 속한 것으로 나타나 유입수
(a) Suspended growth processes
(b) Attached growth processes
Fig. 2. Monthly average TN and TP removal efficiencies on the basis of the average monthly concentrations in the influents and effluents at the sewage treatment plants.
의 낮은 유기물비율에 의한 것으로 판단된다. 또한 부착성 장공정 중 시설용량 3,500 ~ 11,000 m3/일에서 총질소 제거 울의 경우 7 ~ 8월에 비교적 낮게 나타났으며 이 기간 중 COD/TN 비에서도 특별한 변화를 찾기는 어려웠다. 방류수 질 분석에서도 나타낸바와 같이 부유성장공정의 시설규모 50,000 m3/day이상의 경우 시설용량 일일 100,000 m3 이상 및 사전환경성 검토대상이 포함된 공공하수처리시설의 상 대적으로 낮은 방류수 수질기준 등에 의한 이유로 처리효 율 면에서 다른 시설용량에 비해 안정적인 경향을 나타냈 다.
총인의 제거율에서는 부유성장공정의 경우 7월 부근에서 처리효율이 비교적 낮아지는 것이 관찰되었으나, 부착성장 공정에서는 이와 같은 추이가 동일하게 나타나지는 않았다.
봄철 제거율이 높아지는 경향이 대부분의 경우 관찰되었으 며, 여름철에 들어 제거율이 감소하는 경향이 관찰되었다.
이 또한 총질소의 제거율에서 관찰된 것과 마찬가지로 방 류수질에서는 큰 변화가 나타나지 않았으며, 월별 COD/TP 비가 6 ~ 7월중에 낮아지는 경향은 일부 확인되었으나, 급 격히 떨어지는 제거율과의 상관관계를 찾기는 어려웠다. 1 월 중 제거율이 낮아지는 경향은 총질소와 비슷한 경향을
나타냈으나, 최저 제거율을 보인 기간은 겨울철에서보다는 대체로 여름철에서 나타났다. 우리나라의 장마철 기간이 6 ~ 7월인 점을 감안할 때, 여름철 전후로의 제거율 저하 현상 은 유입수질 및 유입유량의 급격한 변동에 의한 것으로 판 단된다.
선행연구(엄철용 등, 2010)에 따르면, 우리나라의 지역 구 분(중북부 및 남부)에 따른 공공하수처리시설 유입수온은 큰 차이를 보이지 않으며, S자 형태의 수온변화 양상을 보 인다. 또한 활성슬러지공법에서는 반응조 수온이 높아짐에 따라 방류수질이 좋아지는 경향이 분명히 나타났으나, 영양 염류제거공정의 경우는 그 경향이 동일하게 관찰되지 않았 다. 상대적으로 수질변화의 폭이 큰 활성슬러지공법에서도 15℃이상의 온도변화폭에 비해 방류수질은 상대적으로 큰 변화폭을 갖지 않는다. 이는 앞서 제시된 유입수질의 특성 (COD/TN)과 마찬가지로 방류수질에 큰 영향을 미치지 못 하고 있다기보다, 하수처리시설의 운영상 조정 가능한 인자 들을 활용하여 방류수질의 변화를 효율적으로 제어하고 있 는 것으로 판단된다.
시설용량의 구분에 따른 방류수질 및 처리효율의 변화양 상은 특이한 사항이 나타나지 않았으며, 유입수중 COD/TN
Table 5. Coefficient of reliability for monthly maximum concentration of effluent in sewage treatment plants Standard
(mg/L)
Suspended growth processes Attached growth processes Avg.* COR Max.* COR Avg.* COR Max.* COR
over 50,000 m3/day
W1) TN 60 13.9 0.23 22.0 0.37 20.9 0.35 35.2 0.59
TP 8 1.42 0.18 2.49 0.31 1.77 0.22 4.91 0.61
Wn2) TN 20 13.9 0.70 22.0 1.10 20.9 1.05 35.2 1.76
TP 2 1.42 0.71 2.49 1.25 1.77 0.89 4.91 2.46
N3) TN 20 12.0 0.60 19.4 0.97 15.7 0.79 29.5 1.48
TP 2 1.35 0.68 2.13 1.07 1.72 0.86 3.65 1.83
11,000 ~ 50,000 m3/day
W TN 60 16.1 0.27 27.9 0.47 17.4 0.29 27.6 0.46
TP 8 1.56 0.20 3.12 0.39 1.55 0.19 2.31 0.29
Wn
TN 20 16.1 0.81 24.1 1.21 17.4 0.87 27.6 1.38
TP 2 1.56 0.78 3.12 1.56 1.55 0.78 2.31 1.16
N TN 20 13.5 0.68 24.1 1.21 15.1 0.76 23.7 1.19
TP 2 1.49 0.75 2.93 1.47 1.55 0.78 2.24 1.12
3,500 ~ 11,000 m3/day
W TN 60 13.8 0.23 24.0 0.40 15.1 0.25 24.9 0.42
TP 8 1.35 0.17 2.18 0.27 1.56 0.20 3.09 0.39
Wn TN 20 13.8 0.69 24.0 1.20 15.1 0.76 24.9 1.25
TP 2 1.35 0.68 2.18 1.09 1.56 0.78 3.09 1.55
N TN 20 12.3 0.62 19.7 0.99 14.0 0.70 19.3 0.97
TP 2 1.40 0.70 2.20 1.10 1.33 0.67 1.93 0.97
500 ~ 3,500 m3/day
W TN 60 13.2 0.22 22.8 0.38 14.6 0.24 36.7 0.61
TP 8 1.38 0.17 2.25 0.28 1.16 0.15 2.66 0.33
Wn TN 20 13.2 0.66 22.8 1.14 14.6 0.73 36.7 1.84
TP 2 1.38 0.69 2.25 1.13 1.16 0.58 2.66 1.33
N TN 20 11.3 0.57 19.1 0.96 13.5 0.68 28.5 1.43
TP 2 1.30 0.65 1.97 0.99 1.19 0.60 2.83 1.42
1) Winter season (Dec. ~ Mar.)
2) Winter period applied standard for Non-winter season 3) Non-winter season (Apr. ~ Nov.)
* unit: mg/L
비율이 낮은 3,500 ~ 11,000 m3/일의 시설용량에서 비교적 낮은 효율이 관찰된 것으로 보아 시설용량에 따른 영향보 다는 유입수질과 유입수온에 의한 영향이 비교적 큰 것으 로 판단된다.
3.2.4. 방류수 수질의 신뢰도 평가
신뢰도계수(Coefficient of Reliability: COR)는 방류수 수 질기준과 설계수질의 관계를 나타내며 다음과 같이 정의된 다(양형재, 2007; 환경부, 2009b)
(1)
여기서, Xd는 방류수질 또는 설계수질(mg/L), Xs는 방류수 수질기준(mg/L)임.
측정된 방류수수질과 겨울철 및 비겨울철에 달리 적용되 는 방류수 수질기준을 이용하여 신뢰도 계수를 산정한 결 과를 Table 5에 나타냈다. 방류수질 측정자료와 비겨울철기 간의 현행 방류수 수질기준을 이용하여 계산된 신뢰도 계 수의 경우 부유성장 공정의 총질소는 평균 0.57 ~ 0.68, 최
대 0.96 ~ 1.19의 범위로 나타났으며, 부착성장의 경우 평균 0.68 ~ 0.79, 최대 0.97 ~ 1.48의 범위로 조사되었다. 일 측정 자료의 월 최대값을 이용하여 통계분석을 한 결과에서 비 롯된 것이므로 최대값으로 계산된 신뢰도 계수의 경우 1보 다 높은 결과를 나타내고 있으며, 이러한 결과는 일부시설 에서 수질기준을 준수하기 위해서 처리시설의 고도화 및 성능개선이 수반될 필요성이 있음을 나타낸다. 또한 방류수 질의 통계분석에서도 나타난 것처럼 부착성장공정에서 부 착성장보다 높은 신뢰도계수 값의 범위를 갖고 있는 것으 로 나타났다.
겨울철의 현행 방류수 수질기준을 이용하여 계산된 신뢰 도 계수의 경우 부유성장공정의 총질소는 평균 0.22 ~ 0.27, 최대 0.36 ~ 0.50의 범위로 나타났으며, 부착성장공정의 경 우 평균 0.24 ~ 0.35, 최대 0.41 ~ 0.58 범위로 조사되어 비 겨울철에 조차도 일부시설의 경우 방류수 수질기준의 초과 가능성을 내포하고 있음에도 불구하고 겨울철기간의 경우 신뢰도 계수의 값이 모든 처리공정과 시설용량에서 최대 0.61을 넘지 않는 대조적인 결과를 나타냈다. 이러한 겨울 철과 비겨울철의 신뢰도계수의 차이는 현행 겨울철 방류수 수질기준이 규제기준으로서의 역할을 하기에는 너무 높은 수치임을 짐작할 수 있다.
Table 6. Effluent standards for TN and TP at the sewage treatment plants in USA and European Nations
Country & Treatment plant or capacity TN (mg/L) TP (mg/L) Etc.
USA
Chesapeake Bay Tributaries Maryland6) 8.0 2.0
Florida, AWP6) 3.0 1.0
Pad Dam, San Diego, Southern California6) 10 1
1.0 0.1
Winter season Other season Nine Springs, Medison, Wisconsin7) 1.85)
4.15)
- -
May-Sept Oct-April
Manchester, Connecticut7)
85) 65) 45) 25) 45) 205)
- - - - - -
Apr.
May Jun July-Sep.
Oct.
Nov.-Mar.
Danbury, Connecticut7) 1.95) 45)
1 1.5
Nov.-Apr.
May-Oct.
German6) 10,000 ~ 100,000 P.E1) 182) 2
≥ 100,000 P.E 182) 1
England, France3),6)
10,000 ~ 100,000 P.E 152) 2 70 ~ 80%4)
≥ 100,000 P.E 102) 1 ≥ 80%4)
1) P.E: 1 population equivalent = 60g BOD5/day in untreated wastewater
2) The sum of total Kjeldahl Nitrogen (Organic Nitrogen+NH3-N), Nitrate Nitrogen (NO3--N) and Nitrite Nitrogen (NO2--N);
20 mg/L (over 12°C temperature condition in reactor, standard for daily average concentration) 3) Standards for sensitive waters
4) Removal efficiency standards
5) Average monthly limit, TAN (Total Ammonium Nitrogen) 6) Reference (Ministry of environment, 2009b)
7) Reference (Ministry of environment, 2010)
총인의 경우 모든 처리공정에서 겨울철 신뢰도계수는 최 대 0.61로 나타났으며, 비겨울철 신뢰도계수의 경우 최대값 에서 부유성장공정에서는 1.09 ~ 1.52 범위로, 부착성장공정 에서는 1.10 ~ 1.81의 범위로 조사되었다.
현재의 겨울철 방류수 수질기준으로서 적용된 신뢰도계 수와 설계된 방류수 수질기준이 적용된 신뢰도계수를 직접 비교하는 것이 큰 의미를 부여하기는 어렵지만 겨울철 방 류수수질에 대해 비겨울철 방류수 수질기준을 적용하여 신 뢰도계수를 산정한 결과(Wn) 최대값에서 총질소의 경우 부 유성장공정에서 1.10 ~ 1.21, 부착성장공정에서 1.25 ~ 1.84 의 범위로 나타났으며, 총인의 경우 부유성장공정에서 1.09
~ 1.56, 부착성장에서 1.16 ~ 2.46의 범위로 나타났다. 이러 한 범위는 비겨울철의 최대값에 의해 산출된 신뢰도계수보 다 평균적으로 약 10%정도 높은 값을 갖는 것으로 나타났 으며, 이러한 값의 범위가 더 많은 빈도의 방류수 수질기 준 초과를 의미하는 것은 아니다. 앞서 나타낸 것과 같이 처리공정에 따른 방류수질의 차이에서 나타난 것과 같이, 부유성장공정의 경우가 부착성장공정의 경우보다 최대값에 의해 산출된 신뢰도계수의 값이 낮고, 범위 또한 좁은 것 으로 나타났다.
2012년부터 적용되는 총인의 방류수수질기준은 I ~ III지 역에 대해서 현재의 방류수수질기준보다 강화된 기준(0.2 ~ 0.5 mg/L)을 적용받게 된다. 정부와 지자체는 2011년부터 I
~ III지역을 대상으로 공공하수처리시설 내 총인처리시설의 증설 또는 개보수 작업을 실시하고 있는 상황이다. 2011년 부터 총인에 대해서는 수질오염총량제가 적용되어 겨울철
의 예외 규정이 없이 방류수수질기준을 적용받고 있는 처 리장이 늘어나고 있으며, 이에 해당되는 지역의 공공하수처 리시설에서는 이미 총인을 제거하기 위한 고도 처리시설을 도입하여 가동중이다(환경부, 2010). 따라서 총인의 방류수 수질기준에 겨울철 기간에 대한 다른 기준을 추가할 필요 성은 없는 것으로 판단된다.
3.3. 공공하수처리시설의 겨울철 방류수 수질기준 Table 6은 미국 및 유럽 일부국가에서 적용하는 총질소, 총인의 방류수 수질기준을 요약하여 정리하였다. 우리나라 호소의 부영양화 문제와 관련하여 공공하수처리시설의 방 류수 중 영양염류 농도의 기준이 다른 나라에 비해 매우 높은 편이라는 연구결과들은 이미 많이 보고되고 있다(신 항식 등, 2000). 이러한 연구의 대부분은 겨울철의 방류수 수질기준을 중심으로 보고된 것은 없는 실정이다.
현재 우리나라의 겨울철 방류수 수질기준은 총질소 60 mg/L 이하, 총인 8 mg/L 이하로써 겨울철 기준이 구분되 어 적용되는 Pad Dam의 기준보다도 총질소의 경우 6배, 총인의 경우 8배 높으며, 비겨울철에 적용되는 경우에는 총질소, 총인 모두에서 20배 이상 높은 수준이다. 이러한 외국의 방류수 수질기준은 대부분 월평균 농도를 규제기준 으로 삼고 있어 직접적인 비교를 하기에는 다소 무리가 따 르는 것은 사실이나, 앞서 5년간 측정된 일 측정자료 중 월 최대값을 이용하여 분석된 방류수질의 평균값은 총질소의 경우 최대 20.91 mg/L, 총인의 경우 최대 1.77 mg/L로써 Pad Dam의 기준을 만족하기는 어렵지만 국내 비겨울철 방
류수 수질기준은 대부분 만족할 수 있는 것으로 나타났다.
미국의 하수처리시설 방류수 수질기준의 경우 하수처리 시설별로 다른 규제기준(NPDES Permit)을 정하고 있어 국 내기준과의 직접 비교는 유럽기준과 마찬가지로 무리가 따 른다. 또한 우리나라와 기후가 비교적 비슷한 미국의 북동 부 및 중북부의 경우 일부하수처리장에서 Pad Dam, Nine Springs 등과 같이 여름과 겨울 또는 일부 계절에 대해서 서로 다른 방류수 수질기준을 적용하고 있으나, 총질소를 수질기준으로 하는 경우보다는 총 암모니아성 질소(Total Ammonium Nitrogen: TAN; NH3-N와 NH4+
-N 농도의 합) 를 규제하는 경우가 대부분이다.
EU일부 국가에서 적용하고 있는 총질소와 총인의 규제 에서는 처리효율까지도 같이 규제하고 있으나, 앞서 분석한 우리나라 공공하수처리시설의 처리효율의 경우 60 ~ 75%선 에 머물고 있어 대형하수처리장에 적용되는 80%이상의 처 리효율 기준에는 미치지 못하고 있다.
선행연구(신항식 등, 2000)에서는 우리나라의 총인 농도 기준이 매우 높은 실정으로 더 이상의 고도처리방법을 도 입하지 않고도 기준농도를 충족시킬 수 있으며, 생물학적 공정을 통한 질소제거에 주력하고 있는 실정으로 유입수 특성을 반영하지 못하여 처리효율까지 떨어지는 문제점이 제기되고 있다. 또한 봄철 총인 농도와 여름철 평균 식물 성플랑크톤 농도 간의 회귀분석에서 온대지역의 경우 회귀 계수(γ2) 값이 0.9이상으로 나타났다(Dillon and Rigler, 1974). 부영양화 결정요인으로 판단하고 있는 영양염류가 겨울철동안 더욱 높은 농도로 방류될 경우 수용하천이나 호소 등의 수질악화 및 부영양화에 큰 영향을 줄 수 있는 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 시설용량 500 m3/일 이상의 공공하수처리 시설 241곳을 대상으로 수질자료의 통계학적 분석을 실시 한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
1) 5년간(2004 ~ 2008년) 유입수의 총질소와 총인 농도는 매년 증가하는 경향을 보였으며, 겨울철과 비겨울철의 평균 유입수질의 차이는 총질소의 경우 최대 2.8 mg/L, 총인의 경우 0.4 mg/L로 나타나, 겨울철 구분에 따른 유입수질 차이는 크지 않은 것으로 나타났다.
2) 방류수질에서 겨울철과 비겨울철의 총질소 농도는 14.2
~ 17.4 mg/L 및 12.2 ~ 14.8 mg/L 범위로, 총인 농도는 1.42 ~ 1.53 mg/L 및 1.38 ~ 1.48 mg/L 범위를 보여, 겨 울철 구분에 따른 방류수질의 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 또한 부유성장공정 중 시설용량 일일 50,000 m3이상을 제외하고, 처리시설의 시설용량이 증가할수록 방류수중 영양염류의 농도가 증가하는 경향을 확인하였 으며, 부유성장공정에서 비교적 안정적인 방류수질을 나 타냈다.
3) 총질소의 경우 유입수온이 낮아지는 1 ~ 2월에 제거율 저하가 나타났으며, 총인 제거율은 1월 및 6 ~ 7월에 저
하되는 것으로 나타났다. 총인 제거율의 저하는 유입수 온 저하와 장마철 기간이 6 ~ 7월인 것을 감안할 때 유 입수량의 급격한 변화에 기인한 것으로 판단된다.
4) 비겨울철 방류수질에 대한 신뢰도의 경우 총질소는 0.96
~ 1.48, 총인은 1.09 ~ 1.81 범위로 나타났으며, 겨울철 방류수질에 대한 신뢰도의 경우 최대 0.61로 나타났다.
계절적 요건에 의해 겨울철 방류수 중 영양염류 농도는 비겨울철의 농도에 비해 증가하는 것은 사실이나 그 차 이가 크지 않음에도 규제기준의 차이가 상당히 커 신뢰 도계수가 큰 차이를 보였다.
본 연구 결과와 더불어 겨울철에 갈수기를 맞는 우리나 라의 하천에 점오염원으로서 큰 비중을 차지하는 공공하수 처리시설 방류수가 높은 규제기준에 의하여 자연배경 농도 보다 높은 영양염류를 함유한 상태로 방류될 경우 수용하 천으로의 영양염류 유입 억제에 더 큰 어려움이 발생할 수 있다는 점을 고려할 때 공공하수처리시설의 방류수 수질기 준에 포함된 겨울철 방류수 수질기준을 강화할 필요성이 충분히 있다고 판단된다.
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